کشف روشی بهینه برای استخراج اکسیژن از خاک ماه

شرایط محیطی ماه برای سکونت انسان به‌‌شدت نامساعد است. اقلیم در آنجا خشک و پر گردوخاک است و هیچ اتمسفری برای تنفس وجود ندارد؛ اما این بدان‌معنی نیست که نمی‌توان در آنجا به اکسیژن دست پیدا کرد. یکی از منابع بالقوه برای استخراج این عنصر حیاتی، خاک ماه (رگولیت) است و دانشمندان اکنون روشی برای جداسازی اکسیژن از سطح رویی خاک و قلوه‌‌سنگ‌‌های آن یافته‌‌اند.

فرایند استخراج جدید ضایعاتی تولید نخواهد کرد و به‌گفته‌ی دانشمندان، محصولات نهایی فقط شامل اکسیژن و دسته‌‌ای از آلیاژهای فلزی خواهند بود. هر دو این مواد برای ساخت پایگاه‌‌های قمری و کلونی‌‌سازی در آینده مفید واقع خواهند شد. به‌‌لطف نمونه‌‌های رگولیتی که در مأموریت قبلی استخراج شده است، اکنون می‌‌دانیم در سطح ماه اکسیژن زیادی وجود دارد. درحقیقت، بین ۴۰ تا ۴۵ درصد وزن خاک ماه از اکسیژن تشکیل شده است. این به‌‌معنای آن است که اکسیژن بیشترین درصد جرمی را بین عناصر تشکیل‌‌دهنده‌‌ی خاک ماه دارد. بااین‌حال در‌این‌میان، مشکل بزرگی وجود دارد. بث لوماکس، شیمی‌‌دان دانشگاه گلاسکو اسکاتلند توضیح می‌‌دهد:

اکسیژن منبعی بسیار ارزشمند است؛ اما این عنصر به‌‌صورت اکسید و در ترکیب شیمیایی با سایر مواد وجود دارد؛ بنابراین امکان دسترسی مستقیم به آن وجود ندارد.

تصویر سمت چپ: خاک ماه قبل از عملیات استخراج اکسیژن؛ تصویر سمت راست: خاک ماه پس از فرایند استخراج.

نمونه‌‌های استخراج‌‌شده بسیار ارزشمندتر از آن هستند که مستقیما برای آزمایش استفاده شوند؛ اما با دراختیارداشتن نمونه‌‌های اصلی، می‌‌توان ترکیبات رگولیت ماه را دوباره با کمک مواد روی زمین بازسازی کرد. این خاک بازسازی‌شده با نام «رگولیت قمری شبیه‌‌سازی‌‌شده» شناخته می‌‌شود و لوماکس و همکارانش از همین انواع خاک برای انجام پژوهش‌‌های خود استفاده کرده‌‌اند.

پیش‌‌تر نیز تلاش‌‌هایی برای استخراج اکسیژن از خاک ماه شده بود. یکی از این روش‌‌ها کاهش شیمیایی اکسیدهای آهنی با کمک هیدروژن و درنتیجه تولید آب بود. در مرحله‌‌ی بعد، آب تولیدشده باید الکترولیز می‌‌شد تا اکسیژن از هیدروژن جداسازی شود. در روشی دیگر، استفاده از متان به‌‌جای هیدروژن پیشنهاد شده بود.

مشکل روش‌‌های یادشده این بود که بازدهی کمی داشتند یا بیش‌از‌حد پیچیده بودند یا اینکه در دمای بسیار زیادی انجام می‌‌شدند؛ به‌‌گونه‌‌ای که رگولیت عملا طی فرایند ذوب می‌‌شد. لوماکس و همکارانش در روش ابتکاری خود تمامی مراحل کاهش شیمیایی را حذف و مستقیما پودر رگولیت را الکترولیز کرده‌‌اند. لوماکس می‌گوید:

این فرایند روشی با عنوان الکترولیز نمک مذاب را شامل می‌شود این اولین نمونه از فرایند عمل‌‌آوری مسقیم پودر به پودر روی رگولیت ماه شبیه‌‌سازی‌‌شده است که با آن می‌‌توان تقریبا تمام اکسیژن را استخراج کرد. روش‌‌های جایگزین دیگر برای استخراج اکسیژن از ماه بازدهی به‌‌مراتب کمتری دارد یا به ذوب‌‌کردن خاک ماه در دماهایی بیش از ۱۶۰۰ درجه‌‌ی سلسیوس نیاز خواهد داشت.

در مرحله‌ی اول، رگولیت در سبدهایی توری‌‌مانند ریخته می‌‌شود. کلسیم کلراید به‌‌عنوان الکترولیت به آن افزوده می‌‌شود و مخلوط تا دمای ۹۵۰ درجه‌‌ی سانتی‌‌گراد حرارت داده می‌‌شود (در این دما رگولیت ذوب نمی‌‌شود). سپس، جریان الکتریکی به مخلوط اعمال می‌‌شود که با این کار، اکسیژن جدا و نمک به‌‌جای‌مانده در سمت آند (قطب منفی) انباشته می‌‌شود که به‌‌راحتی می‌‌توان آن را خارج کرد.

برای جداسازی ۹۶ درصد از اکسیژن موجود در ترکیب شیمیایی نمونه‌ای از خاک رگولیت به ۵۰ ساعت زمان نیاز بود؛ در‌حالی‌که استخراج ۷۵ درصد از این اکسیژن فقط در ۱۵ ساعت اولیه انجام شد. در این فرایند، حدود یک‌‌سوم از کل اکسیژن موجود در نمونه به‌‌صورت گاز جمع‌‌آوری و بقیه‌‌ی آن از دسترس خارج شد. دانشمندان می‌‌گویند همین مقدار استخراج‌‌شده نیز نشان‌‌دهنده‌‌ی پیشرفتی چشمگیر در مقایسه با روش‌‌های پیشین است.

علاوه‌بر‌این، مواد فلزی باقی‌‌مانده از فرایند یادشده نیز کاربردی خواهند بود. این اولین‌بار است که روش‌‌های استخراج اکسیژن از رگولیت ماه توانسته به چنین دستاوردی برسند. پزوهشگران در مقاله‌‌ی تازه‌‌ی خود نوشته‌‌اند:

این اولین اثبات موفقیت‌‌آمیز فرایند عمل‌‌آوری رگولیت شبیه‌‌سازی‌شده به‌‌شکل پودر به پودر است که توانسته در خروجی موادی نظیر آلیاژهای فلزی را تولید کند. به‌‌علاوه، جداسازی آشکار فازهای فلزی مختلف و تخلیه‌‌ی ظاهری اجزای فلزی نشان‌‌دهنده‌‌ی ظرفیت بالقوه‌‌ی این روش برای جداسازی و خالص‌‌سازی فلزات یا آلیاژها از رگولیت بدون ااستفاده‌‌ی ماه است.

سه گروه اصلی از آلیاژها در میان محصولات جانبی این فرایند دیده می‌‌شود که گاهی مقادیری از فلزات دیگر نیز با آن‌‌ها همراه می‌‌شود؛ ازجمله آهن‌آلومینیوم، آهن‌سیلیکون و کلسیم‌سیلیکون‌آلومینیوم. این کشف نشان می‌‌دهد روش تازه می‌‌تواند به‌‌جز استخراج اکسیژن، کاربردهای سودمند دیگری نیز داشته باشد؛ هرچند اگر بعدها مشخص شود می‌‌توان از ذخایر یخ روی ماه نیز اکسیژن استخراج کرد. جیمز کارپنتر، افسر مطالعات راهبردی ماه در آژانس فضایی اروپا می‌‌گوید:

این فرایند می‌‌تواند اکسیژن موردنیاز برای زندگی و سوخت را درکنار طیف گسترده‌‌ای از آلیاژهای فلزی به‌کاررفته درساخت‌‌وسازها دراختیار ساکنان ماه قرار دهد.

این پژوهش در ژورنال Planetary and Space Science چاپ شده است.